燃氣冷凝鍋爐的熱力計算

李婷玉 張穎 馬超(廊坊泛華石化設(shè)備有限公司， 河北 廊坊 065000)

燃氣冷凝鍋爐的熱力計算

李婷玉 張穎 馬超(廊坊泛華石化設(shè)備有限公司， 河北 廊坊 065000)

燃氣冷凝鍋爐是近年來發(fā)展起來的一種新型的燃氣鍋爐,燃氣冷凝鍋爐能夠提高能源利用率,減少污染物的排放,冷凝式節(jié)能器的加入能夠有效利用煙氣中的汽化潛熱。本文在分析燃氣冷凝鍋爐特點的基礎(chǔ)上，介紹了現(xiàn)行條件下的冷凝鍋爐的效率測試計算方法，最后分析了燃氣成分、空氣進氣狀態(tài)、空氣預熱和補燃對冷凝鍋爐的熱效率的影響。

燃氣冷凝鍋爐；節(jié)能器；計算方法；熱效率；影響因素

隨著西氣東輸工程的實施，我國的天然氣在能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮的作用越來越重要，燃氣與燃煤相比，主要以碳和氫為主要成分，燃燒后會生成大量的水蒸氣，通常情況下天然氣燃燒后排出的煙中的水蒸氣主要以氣態(tài)存在，冷凝會產(chǎn)生很高的熱效率。冷凝式鍋爐利用煙氣汽化潛熱，將燃氣鍋爐煙氣中的水蒸氣冷凝，由于其節(jié)能環(huán)保的特點，隨著工業(yè)鍋爐的發(fā)展，近年來在醫(yī)院、學校等企事業(yè)單位取得廣泛應(yīng)用。目前關(guān)于燃氣冷凝鍋爐的熱力計算也十分活躍，主要集中在煙氣冷凝換熱與傳質(zhì)的特性研究。

1 燃氣冷凝式鍋爐的特點

燃氣冷凝式鍋爐最大特點是充分利用了排出煙氣中的水蒸氣的汽化潛熱，可以將熱效率提高至107%～109%。目前燃氣冷凝式鍋爐主要有兩類：一體式冷凝式鍋爐和帶有冷凝式節(jié)能器的鍋爐。其中后者的冷凝部分和鍋爐是分開的。一體式冷凝式鍋爐或帶有冷凝式節(jié)能器的鍋爐的作用原理是指煙氣在經(jīng)過尾部的換熱裝置以后，存在于煙氣中的水蒸氣會發(fā)生冷凝現(xiàn)象，水蒸氣冷凝釋放出的汽化潛熱可以被鍋爐回收。

燃氣冷凝式鍋爐所用的天然氣燃燒后的煙氣具有以下三個特點:

(1)燃氣冷凝式鍋爐中的煙氣中煙塵較少；

(2)燃氣冷凝式鍋爐所用的天然氣中硫成分較少，燃燒生成的煙氣中幾乎不含二氧化硫；

(3)燃氣冷凝式鍋爐中的煙氣中水蒸氣含量較高，大約為18%。

2 燃氣冷凝鍋爐熱效率測試方法

在對燃氣冷凝鍋爐熱效率開展測試時，不同的位置所用測試方法不同。存在兩個界面使燃氣冷凝式鍋爐劃分為兩部分，即：第一部分是燃氣鍋爐的本體到鍋爐冷凝段的煙氣入口處，第二部分是燃氣鍋爐冷凝段從煙氣入口處到煙氣出口處。第一個界面的測試按照國標GB/T10180或GB/T10184進行；第二個界面內(nèi)的測試內(nèi)容主要包括以下六部分:燃氣冷凝鍋爐測試冷凝段的煙氣輸入熱量；燃氣冷凝鍋爐測試冷凝段的有效吸收熱量；燃氣冷凝鍋爐測試冷凝段的煙氣輸出熱量；燃氣冷凝鍋爐冷凝段的煙氣冷凝所釋放出的汽化潛熱量；燃氣冷凝鍋爐冷凝段產(chǎn)生的冷凝水排出顯熱量；燃氣冷凝鍋爐測試冷凝段總的散熱損失。

3 熱效率的影響因素

利用能量守恒方程，熱效率的計算公式(1)、式(2)。

式中： η為熱效率； Q1為燃氣的低熱值，kJ/m3； Ha為1m3干燃氣完全燃燒時由空氣帶入的物理熱，kJ/m3； Hg為單位體積干燃氣物理熱，kJ/m3； r為水的氣化潛熱，kJ/ kg； tH2O為水蒸氣的溫度，℃。

(1)燃氣成分的影響 利用式(1)可計算出燃氣在任意排煙溫度和空氣系數(shù)下的熱效率。在相同的空氣系數(shù)下，熱效率隨著排煙溫度的升高逐漸下降；在相同的排煙溫度下，熱效率隨著空氣系數(shù)的增大逐漸降低。不同燃氣成分，熱效率變化較大，主要原因與煙氣中的含水量以及理論燃燒溫度有關(guān)。C2+的理論燃燒溫度加大，故在高溫段無煙氣冷凝的時候，C2+成分越多的燃氣熱效率越高，在有煙氣冷凝的時候，由于甲烷的氫體積分數(shù)較大，冷凝熱其主導作用，甲烷的熱效率是最高的。

(2)空氣進氣狀態(tài) 當燃氣的含濕量和進氣溫度相同的時候，進氣溫度越高，熱效率越大；保持進氣狀態(tài)和排煙溫度恒定的時候，隨著空氣系數(shù)的增加，存在一個熱效率的最小值，即：在熱效率最小值之前，熱效率隨著空氣系數(shù)的增大逐漸減小，在熱效率最小值之后，熱效率隨著空氣系數(shù)的增大逐漸增大。

(3)空氣預熱 利用排煙對空氣進行預熱，可以降低排煙溫度，提高系統(tǒng)的熱效率。在一般情況下預熱空氣時，所用的空氣預熱器的換熱面積不可能很大，所以在該情況下煙氣是不會成為冷凝狀態(tài)的。

(4)補燃 在燃氣熱電冷聯(lián)供中，內(nèi)燃機或者燃氣輪機的空氣系數(shù)處在較高的水平，因此煙氣中的氧氣含量較高，故在煙氣中加入燃氣可直接燃燒，提高系統(tǒng)的熱效率，這種補燃等同于降低了空氣系數(shù)。補燃過程中的熱效率可用式(2)表示：

式中：η1為在一定排煙溫度條件下，無補燃時系統(tǒng)的熱效率；η2為在一定排煙溫度條件下，補燃過程的系統(tǒng)熱效率；Qt在一定排煙溫度條件下，無補燃時系統(tǒng)中的熱量加量，kJ； Qa在一定排煙溫度條件下，補燃過程中系統(tǒng)中的熱量加量，kJ。

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[2]耿克成，田貫三，付林,等.天然氣煙氣冷凝熱效率計算及影響因素分析[J].煤氣與熱力，2004，24(8)：427-431.